Tema 16.- Vidrios. Composición y Propiedades

BLOQUE V.- MATERIALES CERÁMICOS
Tema 16.- Vidrios. Composición y Propiedades
William D. Callister, Jr “Introducción a la Ciencia e
Ingeniería de los Materiales”. Tomo **. Ed. Reverté
James F. Shackerlford “Introducción a la Ciencia de
Materiales para Ingenieros”. Cuarta edición. Ed.
Prentice Hall (1998)
1
Sílice amorfa o vítrea: vidrios
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
• Silicatos no cristalinos que contienen principalmente otros
óxidos como CaO, Na2O, K2O y Al2O3.
• vidrio típico:
70% SiO2
resto: Na2O y CaO.
• propiedades principales:
• transparencia óptico
• facilidad de fabricación: baja temp. de fusión
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Composición de algunos vidrios de silicatos
Vidrio
Si2O
Sílice amorfa
100
Borosilicato
76
Centanas
B 2 O3
Al2O3
Na2O
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
CaO
MgO
K2O
ZnO
PbO
otros
-
13
4
5
1
72
1
14
8
Contenedores
73
2
14
10
1
Fibra de vidrio E
54
15
22
1
Recubrimiento
vítreo (Bristol
60
16
7
Esmalte de
cobre
34
8
1
4
1
11
6
-
glaze)
3
4
17
42
-
(Copper enamel)
3
Materiales Cerámicos NO cristalinos: Vidrios
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Factores de influencia en la formación de vidrios
1.
2.
3.
Electronegatividad y tipo de enlace
Viscosidad
Efectos estructurales
1.- Electronegatividad-tipo enlace
Los principales óxidos FORMADORES son:
SiO2
B 2O 3
GeO2
P2O5
• Si enfr. rápido: As2O3, Sb2O3
• Óxidos formadores de vidrios “condicionales”: Al2O3,
Ga2O3, Bi2O3, SeO2, TeO2
4
Materiales Cerámicos NO cristalinos: Vidrios
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Factores de influencia en la formación de vidrios
2.- Viscosidad
Óxidos formadores de vidrio: líquidos con ↑↑ η a T>Tfusión
Ej: Sílice fundida a 1715ºC : η=107 poise
H2O a 0ºC y LiCl: a 613ºC: η ≈ 2×10-2 poise
3.- Efectos estructurales
•
•
•
Un óxido AmOn formará un vidrio cuando se cumpla:
Un atm de O tiene que estar unido, como máximo, a otros dos átomos A.
El número de coordinación del catión (A) debe ser pequeño
(NC (A)= 3 ó 4)
El poliedro de coordinación, formado por los átomos de O alrededor de A,
sólo comparten vértices (no: ni aristas ni caras)
Sílice cristalina: NC(O): ↑↑, y “poliedros” comparten aristas o caras
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Materiales Cerámicos NO cristalinos: Vidrios
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Óxidos modificadores de la red
• Óxidos que rompen la red del vidrio
– Alcalinos (Na2O, K2O) y alcalino térreos (CaO, MgO)
• Se acomodan en los intersticios
• Bajan la viscosidad: facilitan en moldeo
Vidrio modificado:
Efecto del Na2O en la red vítrea de
sílice. El sodio es un modificador que:
• interrumpe la red vítrea y reduce la
capacidad de formar vidrio
•Rompen la red y disminuyen el punto
de fusión
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Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Materiales Cerámicos NO cristalinos: Vidrios
Vidrios
SiO2 Na2O K2O CaO B2O3 Al2O3 Otros
Observaciones
Sílice (fundida)
99.5+
Difícil de fundir y de fabricar, pero útil hasta T de
1000ºC. Muy ↓expansión y ↑ resist. al choque T
Silice 96%
96,3
Fabricado a partir de vidrios relativamente suaves de
borosilicato; se calienta para separar las fases de SiO2B2O3 lixiviación ácida de la fase B2O3 se calienta para
consolidar los poros
Sodo-cálcicos:
láminas vidrio
90% producción
71-73 12-14
Silicatos
de
electricos
Pb:
Alto contenido Pb
63
pérdida
7.6
35
Borosilicato
baja
80.5
expansión PIREX
Baja
eléctrica
<0.2
<0.2
2.9
10-12
6
0.3
0.2
0.4
0.5-1.5
MgO 1-4
0.6
PbO 21
Mg 0.2
7.2
3.8
70
PbO 58
↓ expansión, ↑ Rest.choque T y estabilidad química.
Utilizado Ind Química
0.5
28
1.1
PbO 1.2
Bajas pérdidas dieléctricas
09
9.6
5.6
B2O 2.2
Contenidos altos en alúmina y bajos en óxido bórico que
mejora la durabilidad química
Bajo álcali
E)
54.5
0.5
22
85.5
14.5
57
1.0
5.5
4
20.5
40-70
Fácil. Fundir y con buenas prop. eléctricas. El ↑% Pb
absorbe los RX, el alto índice de refracción es útil en
lentes aromáticas. Vidrio para cristal decorativo
2.2
6.4
Cerámica vítrea
ventanas,
12.9
74.7
Aluminosilicato
para
0.4
Aluminosilicato
aparatos estándar
(Vidrios
Fácil fabricación. Múltiples usos,
contenedores y bombillas eléctricas
0.5
10-35
Usado ampliamente en fibras de MC resina-vidrio
MgO 12
Resistencia a ↑ T, ↓ expansión
MgO 10-30 Cerámica cristalina fab por desvitrificación del vidrio.
Fácil fabricación (~vidrio) y buenas prop. Diferentes
TiO2 7-15 vidrios y catalizadores
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Vidrios: Temperatura de Transición vítrea
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Diferencia: Solidificación de Materiales Cristalinos y Vítreos
El enfriamiento desde el estado
líquido de SiO44- No produce la
cristalización de un vidrio a Tm.
Contracción debido
a la “solidificacióncristalización”, que
se produce en los
materiales
cristalinos
Tg
Tm
Tm: Temp. fusión material cristalino
Tg: Temp. transición vítrea (cambio pte.)
Los vidrios pueden existir como
líquidos subenfriados a T<Tm
Durante el enfriamiento de un
líquido subenfriado, ocurre un
cambio en la pendiente a Tg.
A
T<Tg,
el
material
considerado un vidrio
A
T>Tg
considerado
subenfriado
el
es
material
es
un
líquido
8
Viscosidad-Temperatura
1.
2.
3.
4.
5.
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Punto Fusión: Tª ⇒
viscosidad 100P (el vidrio
es líquido)
Punto de Trabajo: Tª ⇒
viscosidad 104P (vidrio
fácilmente deformable)
Punto
de
Ablandamiento: Tª ⇒
viscosidad 4 107P (Tmax
manipulación del vidrio
sin provocar alteraciones
dimensionales)
Punto de recocido: Tª
⇒ viscosidad
1013P
(difusión elimina posibles
tensiones residuales)
Punto de deformación:
Tª ⇒ viscosidad 3 1014P
(a
inferiores
T,
la
fractura ocurre antes
que
la
deformación
elást.); la Tg estará por
encima Ptodeformación.
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BLOQUE V.- MATERIALES CERÁMICOS
Vidrio: Conformado
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Conformado del vidrio (I)
Materias primas:
SiO2, CaO, Na2O
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
T> Tm
vidrio final:
homogéneo
ausencia poros: “viscosidad”
Métodos fabricación productos vidrio:
• prensado: aplicación de P a molde (forma adecuada). Piezas con paredes gruesas
(placas, platos,…)
• soplado: botellas, bombillas, …
• estirado: piezas largas: láminas, barras, tubos y fibras, …
•formación de fibras: vidrio fundido pasan a través de pequeños orificios, …
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Conformado del vidrio (II)
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Soplado
Estirado continuo
de láminas
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MATERIALES VITROCERÁMICOS
•
•
•
•
25/03/2009
¿QUÉ SON?
PROCESADO.
PROPIEDADES.
APLICACIONES.
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
¿ QUÉ SON?
•
Son
materiales
parcialmente
cristalinos y parcialmente vítreos.
•
Son vidrios a los que se le ha dado
forma y después se les ha aplicado un
tratamiento secundario a altas
temperaturas para conseguir el
efecto y propiedades óptimas.
25/03/2009
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
PROCESADO
•
Por técnicas de conformado de vidrio:
– moldeo a presión.
– soplado.
– laminado, etc.
•
Tratamiento secundario (DESVITRIFICACIÓN)
– Nucleación: bajas temperaturas ⇒ “Semillas
(TiO2) cerca del punto de recocido de la
matriz vítrea huésped.
– Crecimiento de núcleos: altas temperaturas.
– Para dar lugar a la formación de la
estructura policristalina.
25/03/2009
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
PROCESADO
–
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Obtenemos cerámicas:
• totalmente densificadas.
• libres de porosidad⇒ prop. mecánicas.
• microestructura uniforme.
• Viscosidad grande
• Coeficiente de dilatación bajo ⇒ adecuado comp. térmico
– Problemas:
• limitados a composiciones que puedan formar vidrios y
cuya ceramización se pueda controlar.
25/03/2009
PROCESADO DE LAS VITROCERÁMICAS
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
• Otros tratamientos secundarios:
– Recocido: calentamos el vidrio hasta el punto de recocido.
– Templado: calentar el vidrio (620-640º C) y enfriar
rápidamente.
– Intercambio de iones (templado químico).
25/03/2009
PROPIEDADES VITROCERÁMICAS
•
•
•
•
•
•
•
Coeficiente de dilatación térmica bajo
Excelente resistencia al choque térmico.
Buenas conductividades térmicas.
Elevada durabilidad química.
Gran resistencia mecánica.
Alta tenacidad y dureza.
Mayor resistencia mecánica que el vidrio.
25/03/2009
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
APLICACIONES
•
•
•
•
Cocina.
Telescopios.
Intercambiadores de calor.
En general, para productos que requieran
estabilidad dimensional ante cambios de
temperatura.
25/03/2009
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Aplicación de ejemplo.
•
Tema 16.-El Vidrio: Clasificación.
Propiedades.
Radomo de pyroceram: Consiste en una cerámica vítrea rica en sílice y a base de
cordierita, posee gran transparencia al radar, por lo que se usa en el fuselado
aerodinámico que cubre la antena de radar de los proyectiles de alta velocidad.
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